地铁工程钢筋混凝土梁疲劳损伤演化和寿命预测(3)
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【摘要】图3 四点弯曲疲劳试验装置 表2 试验方案序号应力水平r杂散电流强度/V氯离子浓度 NaCl/%.0 3 结果与讨论 3.1 跨中挠度演化 不同腐蚀环境下试验梁跨中挠度
图3 四点弯曲疲劳试验装置
表2 试验方案序号应力水平r杂散电流强度/V氯离子浓度 NaCl/%.0
3 结果与讨论
3.1 跨中挠度演化
不同腐蚀环境下试验梁跨中挠度-循环次数演化过程见图4。由图4可知,挠度比值的演化过程呈明显的三阶段“S”形特征,具体为:初始阶段快速下降、中间阶段平稳下降和最后阶段损伤破坏急剧下降。图4中还给出了式(4)的模型理论预测值,如图中实线部分所示。从图4中理论预测值和试验结果比较可以看出,模型能够较准确地描绘钢筋混凝土试验梁跨中挠度演化的最初两个阶段。试验结果见图5,图5给出了对应于不同试验参数时模型参数B的变化规律,对应于不同试验参数时式(4)模型中系数b1、b2、b3回归值及其相关系数见表3。
图4 不同腐蚀环境下挠度演化趋势
图5 系数B随影响因素演化关系
表3 试验数据拟合b1、b2、b3值参数30 V, 3.5% NaClr=0.6, 3.5% NaClr=0.6, 30 Vb10.155 50.000 484 2-0.071 680.068 440.105 1R0.998 8
3.2 疲劳寿命预测
根据图4的试验结果,应力水平r、杂散电流强度及氯离子浓度变化时取刚度折减系数α分别为0.543 36、0.464 79和0.505 94,使用式(6)预测了不同试验参数变化下钢筋混凝土试验梁的疲劳寿命,预测值与试验结果比较如图6所示。
由图6可知,试验结果与模型预测结果吻合良好,说明本文建立的疲劳寿命预测模型是可行的和有效的。
由表3可知, 杂散电流强度为30 V,氯离子浓度为3.5%时,不同应力水平作用下地铁钢筋混凝土腐蚀疲劳寿命预测时B随应力水平r变化如下式,即
此时钢筋混凝土试验梁疲劳寿命预测模型,由式(6)和式(10)可得
为了考察杂散电流强度和氯离子浓度对钢筋混凝土试验梁疲劳寿命的影响,需要对式(11)进一步修正。设杂散电流强度与氯离子浓度的变化对疲劳寿命影响系数分别为记为KSC和KCl,则式(11)表示为
假定杂散电流强度30 V时对疲劳寿命影响系数KSC为1和氯离子浓度3.5%时对疲劳寿命影响系数KCl为1,那么,根据杂散电流强度和氯离子浓度对钢筋混凝土试验梁疲劳寿命的试验结果,疲劳影响系数KSC和KCl与杂散电流强度和氯离子浓度的回归曲线分别见图7(a)、图7(b)。
KSC和KCl的回归表达式分别为
图6 不同腐蚀环境下疲劳寿命演化趋势KSC=
KCl=-2.676×+1.084
式中:V为杂散电流强度,V;C为氯离子浓度,%。
将式(13)和式(14)代入式(12),可得到杂散电流、氯离子和疲劳荷载共同作用下钢筋混凝土梁疲劳寿命预测公式为
采用式(15)对杂散电流、氯离子和疲劳荷载共同作用下钢筋混凝土梁疲劳寿命进行预测,并将预测计算值与试验结果进行比较,对比结果如图8所示。
由图8可知,式(15)的预测理论值总体上与试验结果吻合较好,氯离子变化的情况下两者存在一定偏差。需要指出的是,由于疲劳试验时间和试验数据有限,式(15)并没有考虑杂散电流强度、氯离子浓度和应力水平之间存在的相互影响,该项工作有待下一步进行研究与完善。
图7KSC和KCl回归曲线
图8 疲劳寿命预测值与试验结果对比图
3.3 疲劳损伤预测
利用疲劳损伤模型式(9),计算得到不同试验参数变化下的钢筋混凝土试验梁累积疲劳损伤演化过程,见图9。
由图9可知,无论是应力水平、还是杂散电流强度或氯离子浓度发生变化,试验梁疲劳损伤演化过程都大致相同。即在疲劳荷载初始循环次数中试验梁疲劳损伤发展较快,这主要归因于钢筋混凝土梁存在预腐蚀开裂,即初始损伤;经过一定循环次数后疲劳损伤便进入相对稳定发展阶段。当到达到试验梁疲劳寿命时,理论上名义损伤变量DF应该达到1。但图7中有些曲线末端DF并没有达到1,这可能应该归因于本文的分析中没有考虑试验梁的初始损伤和试验数据的分散性。
同理,为了研究散电流强度和氯离子浓度对钢筋混凝土试验梁疲劳损伤的影响,引入杂散电流强度与氯离子浓度对疲劳损伤的影响系数,分别记为DSC和DCl。依据式(9),杂散电流、氯离子和疲劳荷载共同作用下钢筋混凝土梁疲劳损伤预测模型修正表达式为
同理,假定杂散电流强度为30 V时DSC取值为1和氯离子浓度为3.5%时DCl为1,那么,根据图9中疲劳损伤的预测结果,疲劳损伤影响系数DSC和DCl的拟合曲线如图10所示。
文章来源:《中国骨与关节损伤杂志》 网址: http://www.zggygjsszzzz.cn/qikandaodu/2021/0525/552.html
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